吕绪良;吴超;曾朝阳;谢卫;王榕
【摘 要】To compare the absorbing properties of different microwave absorbent and their mixture, firstly using Maxwell-Garnett (MG) formula the effective electromagnetic parameter was calculated of the mixture of X band resistance-type carbon fiber absorbent and magnetic dielectric type ferrite absorbent in different proportion, and their absorbing properties analyzed. Then the resistance matching character and attenuation coefficient of the materials were compared, which proves that adding carbon fiber in ferrite cannot improve absorption properties. Although the ability of attenuation would be enhanced when the resistance materials and magnetic materials are mixed with each other, doping will destroy the materials' resistance matching character because the resistance materials have high permittivity. It makes reflection increase and cannot improve absorbing properties.%为了对比不同类型微波吸收剂及其混合物的吸波性能,利用MG公式,计算了X波段电阻型碳纤维吸收剂和磁介质型铁氧体吸收剂在不同配比下的混合物的等效电磁参数,并分别分析了其吸波 性能.通过对比材料的阻抗匹配特性和衰减系数表明,在铁氧体中添加碳纤维并不能提高吸波性能.虽然混合吸收剂兼具电损耗和磁损耗,可以增强对电磁波的衰减,但是由于一般的电性材料具有较高的介电常数,掺杂磁性材料会破坏材料的阻抗匹配特性,使得表面反射增强,吸波性能得不到改善. 【期刊名称】《解放军理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(013)006
【总页数】4页(P669-672)
【关键词】吸波材料;微波吸收剂;等效电磁参数
【作 者】吕绪良;吴超;曾朝阳;谢卫;王榕
【作者单位】解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007;解放军第63983部队,江苏无锡214035;解放军第61135部队,北京102211
吸波【正文语种】中 文
【中图分类】E951.4
吸波材料是隐身材料中发展最快应用最广的材料。所谓吸波材料，是指能够吸收衰减入射的电磁波，并将电磁能转换成热能而耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料［1］。电磁波吸收剂按材料损耗机理可分为电阻型、电介质型和磁介质型，其中电阻型和磁介质型吸收剂用得较多。电阻型吸收剂主要通过与电场的相互作用来吸收电磁波，吸收效率取决于材料的电导率和介电常数，主要有炭黑、金属粉、碳化硅、石墨以及特种碳纤维等；磁介质型吸收剂对电磁波的衰减主要来自共振和磁滞损耗，如铁氧体和羰基铁等［2］。文献［3，4］指出单一损耗类型的吸收剂难以满足宽频带、高吸收的要求，不同类型吸收剂的掺杂能够提高吸波性能，并制备、测试了一些复合吸波材料，但对不同吸收剂的对比分析却很少［3，4］。
本文利用 MG（Maxwell－Garnett）公式，选取了具有代表性的电阻型碳纤维和磁介质型铁氧体，计算了其混合物的等效电磁参数，并对它们的吸波性能作了对比分析，旨在研究吸收剂在改善材料吸波性能方面的应用潜力。
1 等效电磁参数的计算
Maxwell－Garnett弥散微结构理论［5］是计算混合介质有效电磁参数最早最经典的公式，其基本模型是基体中嵌埋了球形颗粒。假设颗粒的体积分数为q，则等效介电常数εe和等效磁导率μe可以表示为：
式中，ε1、μ1、ε2、μ2 分别为嵌埋颗粒和基体的复介电常数和复磁导率，一般是频率的函数。MG公式被很多学者改进与发展，并成功应用于各种形式混合介质等效电磁参数的计算中［6，7］。
选用的电阻型碳纤维微波吸收剂为镀Cu碳纤维［8］，选用Ba（Co2 TiZn）x Fe12－4x O19六角型铁氧体［9］为磁介质型微波吸收剂。文献［8，9］对2种材料的配方及制备过程作了详细介绍，利用球磨机将2种材料研磨成微球，并与少量环氧树脂混合制备成吸波材料。
本文利用MG公式，计算碳纤维和铁氧体在体积比为1∶2、1∶1、2∶1时其混合物的等效电磁参数。图1是混合吸收剂电磁参数虚部随频率的变化情况。
图1 混合吸收剂电磁参数虚部与频率的关系Fig.1 The relation of imaginary EM parameter for mixed－absorbing versus frequency
2 吸波性能分析
以单层吸波材料为研究对象，基底为金属板。根据传输线理论，其反射率为［10］：为吸波材料中的传播系数，ω为角频率，ε0、μ0为真空中的介电常数和磁导率；d为平板材料的厚度。
将不同比例混合的吸收剂作为单层平板吸波材料。为描述方便，以01＃、12＃、11＃、21＃、10＃分别代表碳纤维和铁氧体体积比为0∶1、1∶2、1∶1、2∶1、1∶0时的吸波材料，利用单层吸波材料反射率模型，分析各组份吸波性能随材料厚度的变化，如图2所示。
式中：εr、μr为材料的相对复介电常数和相对复磁导率；
从图2的仿真结果来看，材料吸波性能随着材料厚度的变化呈现波动特征，但从最低反射率以及吸收带宽来看，12＃材料的吸波性能最好。测试01＃、10＃、12＃吸波材料在不同厚度下的吸波性能，结果如图3所示。
图2 不同比例的混合吸收剂在不同频率下吸波性能随材料厚度的变化Fig.2 The relation of absorption properties of mixedabsorbing versus thickness under different proportion and frequency
从图3的仿真结果可以看出，材料的吸波性能随着材料厚度变化，但在不同厚度下，01＃材料的吸波性能明显比10＃、12＃材料好，即铁氧体磁介质型吸收剂的吸波性能最好。结合图2的仿真结果可以发现，在铁氧体中加入碳纤维，并没能改善吸波性能。为进一步分析原因，对比01＃、10＃、12＃材料的阻抗匹配特性和衰减系数，其结果如图4、5所示。
从图4可以看出，铁氧体具有较好的阻抗匹配特性，即在材料表面的反射波最小。图5则表明了混合吸收剂在一定程度上提高了材料对电磁波的衰减能力，但实际的吸波效果却变差了，原因是碳纤维的掺入破坏了铁氧体与空气的匹配特性，造成了电磁波在材料表面的大量反射。实际上，大多数常用材料的介电常数要大于磁导率，尤其是电损耗型材料。从阻抗匹配的角度来说，电性材料与磁性材料的掺和总会破坏材料的匹配特性，因此往往达不到改善吸波性能的预期效果。
图3 铁氧体、碳纤维及其混合物在不同厚度下吸波性能随频率的变化Fig.3 The relation of a
bsorption properties versus frequency for ferrite，carbon fiber and their mixture under different thicknesses
图4 铁氧体、碳纤维及其混合物阻抗匹配特性随频率的变化Fig.4 The relation of the resistance matching character of ferrite、carbon fiber and their mixture versus frequency
图5 铁氧体、碳纤维及其混合物衰减系数随频率的变化Fig.5 The relation of attenuation coefficient of ferrite、carbon fiber and their mixture versus frequency
3 结 语
本文选取了具有代表性的磁介质型铁氧体微波吸收剂和电阻型镀Cu碳纤维微波吸收剂，计算了2种吸收剂在不同比例混合下的等效电磁参数，并分别分析了吸波性能。结果表明，磁介质型铁氧体吸收剂吸波效果最好，在铁氧体中添加碳纤维，并不能改善吸波性能。其原因可以推广到一般情况，由于磁介质型吸收剂具有较高的磁导率，其阻抗匹配特性比电阻型吸收剂好。因此，利用电性材料掺杂磁性材料会破坏材料的阻抗匹配特性。虽然混合吸收剂在一定程度上提高了对电磁波的衰减能力，但是由于表面反射的增强，使得吸波性能得不到改善。
参考文献：
［1］ 邱 琴，张宴清，张 雄.电磁吸波材料研究进展［J］.电子元件与材料，2009，28（8）：78－81.QIU Qin，ZHANG Yang－ging，ZHANG Xiong.Research progress of microwave absorption materials［J］.Electronic Components and Materials，2009，28（8）：78－81.（in Chinese）.
［2］ 刘顺华，刘军民，董星龙，等.电磁波屏蔽及吸波材料［M］.北京：化学工业出版社，2007.
［3］ 李保东，李巧玲，张存瑞，等.铁氧体复合吸波材料研究新进展［J］.材料导报，2008，22（12）：226－229.LI Bao－dong，LI Qiao－ling，ZHANG Cun－rui，et al.New research progress of ferrite wave absorbing composites［J］.Materials Review，2008，22（12）：226－229.（in Chinese）.
［4］ 王 璟，张 虹，向书欣，等.铁氧体／羰基铁粉复合吸波材料研究［J］.兵器材料科学与工程，2007，30（1）：39－41.WANG Jing，ZHANG Hong，XIANG Shu－xin，et al.
Study on ferrite／carbonyl iron composite absorber［J］.Ordnance Material Science and Engineering，2007，30（1）：39－41.（in Chinese）.
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